阅读材料：人类了解原子结构的历程

1、PAGE22人类了解原子结构的历程发现X光1894年，实验物理学家勒纳德在放电管的玻璃壁上开了一个薄铝窗，成功地使阴极射线射出管外。1895年，物理学家伦琴在探索阴极射线本性的研究中，意外发现了X光。X光的发现，不仅揭开了物理学革命的序幕，也给医疗保健事业带来了新的希望。伦琴因此成为第一个诺贝尔物理学奖得主。发现放射性在对X光的研究中，物理学家贝克勒尔发现只要有铀元素存在，就有贯穿辐射产生，由此证明，发射这种射线是铀原子自身的作用。放射性的发现，引起人们对原子核内部的研究的深入。深入原子内部和“分裂原子”从此成为世纪之交时期科学领域中最振奋人心的口号。1903年，贝克勒尔与皮埃居里和居里夫人因

2、发现放射线荣获诺贝尔物理学奖更强的放射性元素1898年，物理学家居里夫人在寻找比铀的放射性更强的物质的过程中，先发现了一种新的放射性元素，为纪念她的祖国波兰，她将其名命为钋。居里夫妇又花了4年时间，发现了镭，并在极端艰苦的条件下，从几吨沥清铀矿渣中分离出克纯氯化镭后又终于，测出其原子量为225，其发出的射线比铀强200多万倍。这项重要工作，使她获1911年诺贝尔化学奖。元素嬗变1902年，物理学家卢瑟福与化学家索迪合作在对铀、镭、钍等元素的放射性研究中，提出了放射性元素的嬗变理论：放射性原子是不稳定的，它们自发性地放射出射线和能量，而自身衰变成另一种放射性原子，直至成为一种稳定的原子为止。这一

3、理论轻而易举地解释了放射性元素为什么会放出巨大能量，并提出了原子能的概念。导致了对原子内部的新的认识。卢瑟福因此，获1908年诺贝尔化学奖。以后，卢瑟福和索迪等人进一步研究放射性元素递次变化（即衰变谱系）的线索，发现镭是由铀衰变而成的，铀的半衰期大约是几百万年，镭的半衰期是1千多年，随后经历了半衰期都很短的三个阶段，又变成了半衰期较长的放射钋，最后变为稳定元素铅。索迪因此及对同位素起源和性质研究获1921年诺贝尔化学奖。元素嬗变理论打破了自古希腊以来人们相信的原子永远是不生不灭的传统观念，而认为一种元素的原子可以变成另一种元素的原子。开始，连卢瑟福本人也感到犹豫，因为这太像早已被化学家否定了的

4、炼金术。发现射线卢瑟福1898年发现铀和铀的化合物所发出的射线有两种不同类型：一种是极易吸收的，他称之为射线；另一种有效强的穿透能力，他称之为射线。后来法国化学家维拉尔又发现具有更强穿透本领的第三种射线射线。由于组成射线的粒子带有巨大能量和动量，就成为卢瑟福用来打开原子大门、研究原子内部结构的有力工具。卢瑟福用镭发射的粒子作“炮弹”，用“闪烁法”观察被轰击的粒子的情况。1919年，终于观察到氮原子核俘获一个粒子后放出一个氢核，同时变成了另一种原子核的结果，这个新生的原子核后来被证实为是氧17原子核。这是人类历史上第一次实现原子核的人工嬗变，使古代炼金术士梦寐以求的把一种元素变成另一种元素的空想

5、有可能成为现实。当时卢瑟福写了一本书就取名为新炼金术。发现电子电子是在研究阴极射线的本质过程中得到的，阴极射线究竟是什么物理学家汤姆逊设计了一个巧妙的实验装置，证实了阴极射线是由带负电荷的粒子组成的，并推算出其质量和电荷比值。得出都是一样的，而且是比原子小得多的粒子，其质量只是氢离子的千分之一。汤姆逊认定这种粒子必定是“建造一切化学元素的物质”，也就是一切化学原子所共有的组成部分。期间，物理学家佩兰利用当时刚问世的借助于散射光，分辨率比普通显微镜高20倍的超显微镜开展了一系列检验布朗运动理论的实验，于1909年发表了布朗运动和分子实在性的论文，引起强烈的反响，佩兰1926年获物理奖。至此，各国

6、科学家一致认为，分子和原子的实在性已没有怀疑的余地了。正如爱因斯坦所说的那样“分子和原子是否存在的问题是他在大学时代关心和讨论的一个重大问题，而今天再也没有物理学家为这个问题而操心了”。分子和原子论的确立分子和原子论的确立经历了18、19两个世纪，产生过激烈争论。玻耳兹曼不仅从哲学上和方法论上，而且例举了气体分子运动论的最新实验证据，坚信原子论学说。1890年，他就声言：理论的任务在于构造外在世界的图像，这种图像只存在于我们的头脑之中，用以指导我们的一切思想和一切实验。理论研究愈抽象，也就会愈有力。但当时，反对者的力量很强大，他几乎孤立无援，1898年他在自己编写的气体理论讲义第二卷序言中伤感

7、而愤慨地宣告：我意识到，单凭个人孤军奋战，不足以抗击时代的潮流，如果气体理论由于一时对它的敌视态度而暂被遗忘，科学将出现大灾难，（光的）波动论由于受到牛顿权威的影响（而一度被遣忘）就是先例。长期以来对当时科学思想界状况的那种愤世嫉俗的情绪使他非常抑郁，成为他自杀的重要原因。普朗克在他的科学自传中回顾了原子论确立的斗争历史后，很有感慨地说：科学的重大革新很少通过说服反对者并使他们转变立场来实现，索耳是难以变成保耳的。事实上倒是，反对者逐渐死去，新生的一代一开始就熟悉新思想。离经叛道提出能量子概念人们知道：当物体受热，温度不太高时，只能发射出人眼看不见的热射线，被称为红外线；温度升到一定高度，就会

8、发出红光，即物体变红；温度继续升高时，物体会发亮，发出强烈的白光，即发出了大量波长比红光更短的光；温度更高，就会发出大量蓝光。在对这个现象做精密的实验观测和理论研究中，物理学家普朗克1900年提出了一个大胆假说：物体在产生和吸收辐射时，能量不是连续变化的，而是以一定数量值整数倍跳跃式地变化的。也就是说，在辐射的发射或吸收过程中，能量不是无限可分的，而是有一最小的单元。这个不可分的能量单元，普朗克称它为“能量子”或“量子”，即普朗克常数。这一大胆的理论长期以来得不到承认。普朗克直到1918年才获诺贝尔物理学奖。能量的变化竟然是不连续的，这不仅对古典物理理论是离经叛道的，而且也为常识所不容。量子论

9、的出现，物理学界最初的反应是极其冷淡的。人们只承认普朗克那个同实验一致的经验性的辐射公式，而不承认他的理论性的量子假说。在当时的环境下，就连普朗克本人也对自己的冒昧行动惴惴不安，甚至一有机会就想倒退到古典立场。用他的话说，这“完全是一种孤注一掷的行动”，“由于当时考虑到这个问题对于物理具有根本的重要性”，“必须不惜任何代价去找出理论解释。”伟大的科学家爱因斯坦1905年，爱因斯坦发表题为“论动体的电动力学”的著名论文，提出根本不同于传统观念的空间、时间理论。其核心是空间和时间的统一性。闵可夫斯基1909年在为相对论的空时观作的一次题为空间和时间的报告开头即说“我要向你们介绍的空间和时间观念，是

10、从实验物理学的土壤中生长起来的，而这正是它们的力量所在。它们是带有根本性的变革的。从今以后，空间和时间本身都消失在阴影之中了，只有两者的一种统一体才仍然是一种独立的实在。”三个月后爱因斯坦提出了关于物体的质量和能量相当性的推论，即著名的质能关系公式：Emc2。揭示了物体的质量是它所含能量的量度。这使当时无法解释的放射性元素特别是镭为什么能够不断释放出如此强大能量的现象，以及太阳能的以后原子核物理学和粒子物理学的理论基础。并且在理论上预示了原子能时代的到来。狭义相对论不仅揭示了作为物质存在形式的空间和时间的统一性，还进一步揭示了物质和运动的统一性，加深并发展了物质和运动不可分割的原理，揭露了两种

11、运动量度（动量和能量）的统一。爱因斯坦光量子概念爱因斯坦1905年写的一篇论文中，没有满足普朗克把能量不连续性只局限于辐射的发射和吸收过程，而认为即使在空间中传播的过程中，辐射也是不连续的，是由不可分割的能量子组成的。这一观点同19世纪已取得绝对胜利并为大量实验所证实的光波动论和麦克斯韦的电磁理论是完全对立的，但爱因斯坦充分认识到量子概念所带来的将是整个物理学的根本变革，需要建立新的理论。他指出：关于光的产生和转化的瞬时现象，波动论的结论同经验不相符；要解释这类现象，只能假设光是由能量子所组成，即光量子，以后人们称其为光子。这是人类认识自然界历史上第一次揭示了微观客体的波动性和粒子性的对立统一

12、，即波粒二象性。这是整个微观世界的最根本的特征，也是微观物理理论的最基本的概念。早在1887年，赫兹无意中观察到，当接受电磁波的装置受到紫外线照射时就容易出现电火花。在发现电子后，才知道这是由于紫外线把空气分子中的电子驱逐出来的结果。1902年勒纳德用各种频率的光照射钠汞合金，发现只有频率高于一定下限的光才能放逐电子；而被放逐出的电子的速度只同光的频率有关，同光的强度无关。这种现象麦克斯韦理论根本无法解释。爱因斯坦的光量子理论却可以轻而易举地给以完美说明。光电效应的研究以后发展成光电池、有声电影、电视等技术，对现代人类文明生活和太阳能的利用有十分密切的关系。密立根和康普顿的精密实验研究终于确立

13、了光量子论的地位，他们因此分别获1923年和1927年诺贝尔物理学奖。原子模型1903年，汤姆逊发展了他前一年提出的原子构造模型：原子是一个半径大约为1010米的球体，正电荷均匀地分布于整个球体，电子则稀疏地嵌在球体中，这是一个类似葡萄干面包的原子模型。同年，物理学家长冈半太郎认为正负电子不可能相互渗透，提出了电子均匀地分布在一个环上，环中心是一个具有大质量的带正电的球，被他称为“土星型模型”结构。1911年，卢瑟福借助于粒子散射研究，提出原子正电荷必定集中在半径1015米的范围内，而原子半径却有1010米，因此原子里面绝大部分是空虚的，从而证明汤姆逊的模型更接近于物理真实。电子环绕原子核运动

14、1913年，玻尔把卢瑟福的原子模型和普朗克的量子论巧妙地结合起来，并且把原来只用于能的量子概念加以推广，为以后各种物理量的量子化打开了大门，提出了新的原子结构理论。其理论要点是，一电子只能在一些特定的轨道上运行，二电子在特定轨道上运行时，不发射也不吸收能量；三当电子从一个具有较高能量的轨道跃迁到具有低能量的轨道时，就要发射出能量，反之吸收。这个理论显然是违反古典理论的，由古典理论估算，电子在绕核运行时，必定不断损失能量，轨道会来越小，而终于落到核中，并计算出在一个直径为1010米的原子，在1012秒时间内就会崩溃。但他在大量研究和计算的基础上，坚持真理，为长期以来一直无法解释的经验公式做出了统

15、一的理论解释。玻尔因此而获1922年诺贝尔物理学奖。解释微观世界玻尔的理论取得了很大成功，但它只能用于氢原子，对于带两个电子的普通的氦原子却困难重重。1923年，物理学家德布罗意提出了电子作为粒子，应该具有波动的性质，他在自己晚年回忆这段经历时说经过长期的孤寂的思索和遐想之后，在1923年我蓦然想到：爱因斯坦在1905年所作出的发现，应当加以推广，把它扩展到一切物质粒子，特别是电子。他提出了物质波理论，预言电子波的衍射，并获1929年诺贝尔物理学奖。1925年，物理学家薛定谔把德布罗意的理论大大向前推进，建立了波动力学体系，加深了对微观客体的波粒二象性的理解，为数学上解决原子物理学、核物理学、

16、固体物理学和分子物理学问题提供了一种有力的理论工具。他于1933年获诺贝尔物理学奖。1927年戴维孙和汤姆逊发现了晶体对电子的衍射和电子照射晶体的干涉现象，证实了德布罗意的预言，他们因此获1937年诺贝尔物理学奖。量子力学体系建立1925年，海森伯（1932年获诺贝尔物理学奖）为建立新力学理论的数学方案，抛弃了玻尔的电子轨道概念及其有关的古典运动学的量，而代之以可观察到的辐射频率和强度这些光学量，并充分利用了数学家创造出的先进的数学工具矩阵论。同时的玻恩（1954年获诺贝尔物理学奖）也做了大量工作。1925年，狄拉克使用了一种比矩阵更为方便和普适的数学工具，轻而易举地把这个能用极其简单的形式描

17、述古典力学的基本方程改造成为量子力学方程。他们所提出的量子力学新思想与波动力学相结合，建立起了完整的量子力学的理论体系，1927年海森伯又提出了微观领域所特有的测不准关系概念，它们成功地揭示了微观世界的基本规律，极大地加速了原子物理学和固态物理学的发展，为核物理学和（基本）粒子物理学准备了理论基础；而且通过化学键理论，为众多化学规律提供了物理理论基础；同时，对分子生物学的产生也产生启迪作用，使生物学逐步出现新的面貌。因此，量子力学可以说是20世纪最迷人的科学理论。玻尔：谁如果在量子面前不感到震惊，他就不懂得现代物理学；同样如果谁不为此理论感到困惑，他也不是一个好的物理学家。探索原子核奥秘的钥匙

18、中子1932年，物理学家查德威克发现了其质量同质子相当的中性粒子，这正是1920年卢瑟福猜想原子核内可能存在的一种中性的粒子，即中子。他因此获1935年诺贝尔物理学奖。1932年，海森伯和伊凡宁柯各自独立地提出了原子核是由质子和中子组成的核结构模型。由于中子不带电荷，不受静电作用的影响，可以比较自由地接近以至进入原子核，容易引起核的变化，因此，它立即被用来作为轰击原子核的理想炮弹。中子的发现为核物理学开辟了一个新的纪元，它不仅使人们对原子核的组成有了一个正确的认识，而且为人工变革原子核提供了有效手段。它可以说是打开原子核奥秘的钥匙，在开发原子能的伟大事业中大显身手。开启能量宝库的大门中子可以引

19、起裂变链式反应，科学家们根据爱因斯坦质能公式，即E=mc2，估算出一个铀核裂变时会释放出2亿电子伏的能量，这比一个碳原子氧化成二氧化碳分子时所释放的能量（煤燃烧时的化学能）大5000万倍。1942年，费米建成了第一个反应堆。这是人类第一次实现人工自控链式反应，开创了可控核能释放的历史。目前人类正探索着热核聚变反应，其燃料氘可直接从海水中提取，为人类能源开辟了相当广阔甚至可以说是用之不竭的到各种原子都是由电子、质子和中子组成，于是把这三种粒子和光子称为基本粒子。随着物理实验技术的提高，人们很快发现更多的基本粒子。进入基本粒子的世界1932年，物理学家夸克饶夫特和瓦尔顿用倍压线路产生的高电压加速质

20、子，建成倍压加速器。它可以把质子加速到7*108电子伏。他们用质子H1轰击锂核（7Li），使之分裂成两个粒子（4He）。这是历史上第一次用人工加速粒子实现的核反应，他们因此获1951年诺贝尔物理学奖。1989年建成的具有世界先进水平的北京正负电子对撞机直线加速器芝加哥城外费米实验室的同步加速器主环，直径达二公里汽泡室汽泡室是一个装满液体的容器，该液体处于压力之下，温度接近沸点。如果压力减低，液体的沸点也随着降低，但若压力的改变够快，液体回变成超热状态（温度超过沸点，但仍然维持液体状态）。假设压力改变是发生在粒子束刚经过之后，那么室内的液体将会变的不稳定，沿着电离离子的路径开始沸腾，很多小气泡因

21、此形成，可以拍摄下来，带电粒子的轨迹于是就出现在我们眼前。气泡室的影象显示出碰撞后粒子的轨迹基本粒子的结构1933年，狄拉克关于正电子存在的预言被证实，1936年安德森因此获诺贝尔物理学奖。1955年塞格雷和钱伯林利用高能加速器发现了反质子，他们因此获1959年物理奖。第二年又有人发现了反质子。1959年王淦昌等人发现了反西格玛负超子。这些都为反物质的存在提供了证据。莱因斯等利用大型反应堆，经过3年的努力，终于在1956年直接探测到铀裂变过程中所产生的反中微子。他因此获1995年物理学奖。到1968年，人们才探测到了来自太阳的中微子。1947年鲍威尔利用自己发明的照相乳胶技术在宇宙线中找到了1934年汤川秀树提出的介子场理论中预言的介子。汤川秀树获1949年物理奖，鲍威尔获1950年物理奖。到50年代末，基本粒子的数目已达30种。这些粒子绝大多数是从宇宙射线中发现的。自1951年费米首次发现共振态粒子以来。至80年代已发现的共振态粒子达300多种。夸克模型基本粒子如此之多，难道它们真的都是最基本、不可分的吗近40年来大量实验实事表明至少强子是有内部结构的。1964年盖尔曼提出了夸克模型，认为介子是由夸克和反夸克所组成，重子是由三个夸克组成。他因此获1969年物理奖。1990年弗里德曼、肯德尔和泰勒因在粒子物理学夸克模型发展中的先驱性工作而获物理奖。1965年，费曼、施温格、朝永